JP2020508024A - 適応的バッテリー充電のための充電器、および使用の方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、定電流充電プロファイルに対して、改善された充電効率を可能にし、充電中の発熱を最小化するために、利用可能な最大電流値における動的な適応的電流充電プロファイルにおいて再充電可能なバッテリーを充電する方法に関する。本発明はさらに、適応的充電電流プロファイルにおいてバッテリーを充電するよう構成された充電器、および、適応的電流充電のためのシステムに関する。

Description

本発明は一般に、電子機器の改善された充電プロセスを可能にする、新しい充電器、およびバッテリーを充電する方法に関し、特に、充電中の最小の発熱を可能にする、バッテリーの適応的電流充電プロファイルに関する。

再充電可能なリチウムバッテリーによって動作する電子機器、特にウェアラブル電子機器が日々小さくなっている今日の世界では、充電プロセスによって発生する熱は重大な問題になっている。

リチウムイオンバッテリーの従来の充電は一般に、３つの充電フェーズ、すなわち、プリチャージ、急速充電定電流（ＣＣ）、および定電圧（ＣＶ）終止からなる。

プリチャージフェーズでは、バッテリーセル電圧が３．０Ｖ未満である場合、バッテリーは、低レート（典型的には急速充電レートの１／１０）で充電される。これにより、深放電状態における長期保管後に溶解し得る不動態化層の回復がもたらされる。さらに、これにより、過放電時のアノード短絡セルに部分的な銅分解が生じた場合の１Ｃ充電での過熱が防止される。バッテリーセル電圧が３．０Ｖに達すると、充電器はＣＣフェーズに入る。

定電流（ＣＣ）フェーズでは、バッテリーは、所要の電圧に達するまで定電流で充電される。このフェーズでは、バッテリーはその容量の約７０％〜８０％に充電される。充電レートは多くの場合、ＣまたはＣレートとして表され、１時間におけるバッテリーの容量に等しい充電または放電のレートを表す。使用される充電電流は、バッテリーの寿命に影響を及ぼす。充電電流は正確でなくてよく、＋／−２０％のばらつきは許容できる。

定電圧（ＣＶ）フェーズでは要件は、バッテリー電圧が所定の限度を超えないというものである。上記要件の実現は、電流を制御（低減）することによって行われる。正確性はこの段階で非常に重要である。充電フェーズの詳細な説明は、非特許文献１に記載されている。

上記充電の方法論の主な問題点は、充電プロセスが温度に非常に敏感で、バッテリーは特定の温度を超えて充電すべきでないというものである。大半のリチウムイオンセルは４５℃を超えて充電してはならず、または６０℃を超えて放電してはならないので、リチウム化学セルパックにおける過度の温度上昇は常に、設計上の大きな問題である。これらの限度は、サイクル寿命を犠牲にしてではあるが、少し高くまで上げることが可能である（非特許文献２）。

市場で入手可能な充電器は、定電流（ＣＣ）フェーズ中にあらかじめプログラムされた電流で充電し、バッテリー電圧に応じて定電圧（ＣＶ）で電流を制限するよう構成される。バッテリーが、充電器に許容されている上限温度に達すると、充電器は電流を低減するか、または充電を停止する。

よって、発熱を最小化する、電子機器の改善された充電プロセスに対する必要性が当該技術分野において存在している。

国際公開第２０１５／１９９９９５号 米国特許第８６２４５６０号明細書 米国特許第９５５９５４３号明細書 米国特許第８８４１８８４号明細書 米国特許第８７５４６１４号明細書

インターネット＜ＵＲＬ：http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1273031&page_number=l＞ インターネット＜ＵＲＬ：http://electronicdesign.com/boards/keep-eye-temperature-trends-during-li-ion-battery-charge-and-discharge-cycles＞

充電プロセスを改善するために、当該技術分野においていくつかの試みが行われている。それらの一部は以下の特許および特許出願、すなわち、特許文献１〜５に開示されている。充電プロセスを改善しようとする、これらの特許および特許出願、およびその他に対する共通項は、それらが、バッテリーの構成要素および／または特徴を改善しようとするものであるが、定電流および定電圧の共通の充電フェーズになお留まっているというものである。本発明は、エネルギーの観点から従来の充電ｐｈａｔを問題にしており、本明細書において以下に詳細に説明するように、適応的電流充電フェーズになるよう定電流充電フェーズを変えることにより、充電プロセスをさらに改善するために、上述の提案された解決策において実現可能であるので、概念的なブレークスルーとなっている。

本発明はひとつの主な態様で、共通の充電プロトコルの定電流充電フェーズ（ＣＣ）を、このフェーズにおける充電が、一定の固定の定電流値で行われるのではなく、むしろ、リアルタイムで、充電回路上での測定値（例えば、Ｖ_in）、および充電されたバッテリー上での測定値（Ｖ_bat、Ｉ_charge）に応じて充電プロセス中に変わるというやり方で、適応的電流充電フェーズになるよう変換することにより、バッテリーの充電プロセスを改善することを目的とする。リアルタイムでの測定値に応じて充電電流値を適応させることにより、充電プロセスはより正確になり、この充電フェーズ中に発生する熱は、定電流値による充電に対して低減される。

別の主な態様では、本発明は、以下の詳細な説明において説明されるように、種々の表示パラメータのリアルタイム監視に基づいた適応的電流充電値で動的なやり方でバッテリーを充電するよう構成された充電器を提供することを目的とする。

１つの主な態様では、本発明は、再充電可能なバッテリーを充電する方法に関し、上記方法は、（ａ）最小電圧値までプリチャージプロファイルにおいてバッテリーを充電する工程と、（ｂ）利用可能な最大の電流値で、動的な適応的電流充電プロファイルにおいてバッテリーを充電する工程と、（ｃ）充電の終止まで、定電圧プロファイルにおいてバッテリーを充電する工程とを備え、利用可能な最大電流での動的な適応的電流充電プロファイルは、定電流充電プロファイルに対して、改善された充電効率を可能にし、充電中の発熱を最小化するよう構成される。適応的電流充電プロファイルにおける利用可能な最大電流値は、バッテリーに接続された充電器（ＰＭＩＣ）によって決定される。充電器は、リアルタイムでの測定されたパラメータに基づいて特定の時点における利用可能な最大電流値を決定する。測定されたパラメータは、以下のパラメータ、すなわち、バッテリー温度、バッテリーの周囲温度、バッテリー電圧レベル、バッテリー充電電流、充電器に接続された整流器の電圧、および充電器に接続された整流器の電流の少なくとも１つであり得る。測定されたパラメータは、バッテリーの充電レベルを示すので、充電方法の工程（ｂ）における充電電流を適宜、充電器が調節することを可能にする。測定されたパラメータは、バッテリーの寿命を維持するバッテリーの安全充電範囲をさらに示す。

一部の実施形態では、充電器は、測定されたパラメータの少なくとも１つに応じて、内部ＰＷＭにより、および／または、それに接続された適応的インピーダンスネットワークを制御することにより、リアルタイムで、利用可能な最大充電電流での充電を可能にするよう構成される。利用可能な最大電流値が、ワイヤレスまたは非ワイヤレスで送達されたエネルギーから、バッテリーに接続された受電ユニットによって得ることが可能な最大電流であることは明らかであるはずである。

本発明の一部の実施形態では、充電器は測定されたパラメータ値を送電ユニットに伝達し、送電ユニットは、充電器から受けとられた値に応じて特定の時点において上記バッテリーに接続された受電ユニットに向けて送達されたＲＦ電力レベルを修正することにより、充電プロセスを制御するよう構成される。

上記態様すべてにおいて、充電プロセスは、充電されたバッテリーの寿命を維持し、かつ、バッテリーに起こり得る損傷、またはバッテリーの短縮を回避するように、所定の安全範囲の温度、電圧、および電流内で行われる。上述の通り、本発明の実施形態による充電プロセスは、ワイヤレス充電または非ワイヤレス充電プロセスであり得る。

本発明のさらなる一態様では、利用可能な最大電流値で動的な適応的電流充電プロファイルにおいて再充電可能なバッテリーを充電するよう構成された充電器（ＰＭＩＣ）が提供され、充電器は、再充電可能なバッテリーに、および、インピーダンスマッチングネットワークを有する受電ユニットに接続され、利用可能な最大電流での上記動的な適応的電流充電プロファイルは、定電流充電プロファイルに対して、改善された充電効率を可能にし、充電中の発熱を最小化するよう構成される。そうした実施形態では、適応的電流充電プロファイルでの利用可能な最大電流値は、リアルタイムでの測定されたパラメータに基づいて特定の時点で充電器によって決定される。測定されたパラメータは、以下のパラメータ、すなわち、バッテリー温度、バッテリーの周囲温度、バッテリー電圧レベル、バッテリー充電電流、充電器に接続された整流器の電圧、および充電器に接続された整流器の電流の少なくとも１つである。測定されたパラメータは、再充電可能なバッテリーの充電レベルを示し、かつ、発熱を最小化するよう充電電流値を充電器が調節することを可能にする。測定されたパラメータは、バッテリーの寿命を維持するバッテリーの安全充電範囲をさらに示す。

本発明の実施形態によれば、充電器は、少なくとも１つの測定されたパラメータに応じて、内部ＰＷＭにより、および／または、それに接続された適応的インピーダンスネットワークを制御することにより、リアルタイムで、利用可能な最大の充電電流での充電を可能にするよう構成される。利用可能な最大電流値は、送達されたエネルギーから、再充電可能なバッテリーに接続された受電ユニットによって得ることが可能な最大電流である。

一部のさらなる実施形態では、充電器は測定されたパラメータ値を送電ユニットに伝達し得、上記送電ユニットは、充電器から受け取られた値に応じて、特定の時点で再充電可能なバッテリーに接続された受電ユニットに向けて送達された電力レベルを修正することにより、充電プロセスを制御するよう構成される。上記実施形態すべてにおいて、充電プロセスは、充電されたバッテリーの寿命を維持し、かつ、バッテリーに起こり得る損傷、または、バッテリーの短縮を回避するように、所定の安全範囲の温度、電圧、および電流内で行われる。充電プロセスは、ワイヤレス充電プロセスまたは非ワイヤレス充電プロセスであり得る。

更なる局面では、本発明は、再充電可能なバッテリーを充電するシステムに関し、上記システムは、充電対象のバッテリーを保持するプラットフォームと、上記バッテリーを充電する電力源と、電力源からバッテリーへの電流および電圧を調整する充電器（ＰＭＩＣ）と、バッテリーの電圧を判定する検出器と、充電コントローラを管理するオペレーティングソフトウェアとを備え、検出器は、充電時のバッテリーの電圧および容量を判定し、上記充電器はバッテリーの初期充電および容量に基づいて最小電圧値を決定し、最小電圧値までプリチャージプロファイルにおいてバッテリーを充電し始め、上記の検出器がバッテリーの充電を測定し、かつ、充電器が、バッテリーが最小電圧値に達したことを測定値に基づいて決定すると、充電器は、利用可能な最大電流値で動的な適応的電流充電プロファイルにおいてバッテリーを充電し始め、利用可能な最大電流での動的な適応的電流充電プロファイルは、定電流充電プロファイルに対して、改善された充電効率を可能にし、充電中の発熱を最小化するよう構成され、上記検出器が、バッテリーの充電が所定の電圧値に達したことを測定すると、上記充電器は、充電の終止まで定電圧プロファイルにおいてバッテリーを充電し始める。一部の実施形態では、充電器は、適応的電流充電プロファイルを制御する。一部の他の実施形態では、充電器はさらに、充電器から受け取られた値に応じて特定の時点で、再充電可能なバッテリーに接続された受電ユニットに向けて送達された電力レベルを修正することにより、充電プロセスを制御する電力源に測定値を伝達し得る。充電システムは、ワイヤレス充電システムまたは非ワイヤレス充電システムであり得る。

本開示の実施形態の実例となる実施例が、添付図面を参照しながら以下に説明される。図に示す構成要素および特徴の寸法は概ね、利便性、および表現の明瞭さのために選ばれており、必ずしも、正確な縮尺で描いていない。図は概略図の形式で表現されており、そういうものとして、特定の要素は、図示の明瞭さのために、大いに単純化して、または正確な縮尺でなく描かれている場合がある。図は、正式図であることを意図するものでない。図（Ｆｉｇｓ．）は以下に列挙される。

現在の技術水準による、定電流（ＣＣ）および定電圧（ＣＶ）のフェーズを伴う標準的なリチウムイオンバッテリー充電プロファイルの概略図である。 本発明の実施例による、リチウムイオンバッテリーのワイヤレスの適応的充電プロファイルの概略図である。 バッテリーの適応的電流充電を可能にするワイヤレス充電システムの構成要素を示す例示的な概略ブロック図である。 ＲＦエネルギーによる、リチウムイオンバッテリーのワイヤレスの適応的電流充電プロセス中の充電器と送電装置との間のデータフローの概略図である。 本発明の実施例による、リチウムイオンバッテリーの適応的充電プロファイルの概略図であり、充電のための電力源は電圧源である。

一つの主な態様では、本発明は、以下に詳細に説明するように、バッテリーの従来の定電流充電プロファイルの代わりに、適応的電流充電プロファイルに基づいて、バッテリー充電を制御する新しい方法を提供することを目的としている。

別の主な態様における本発明は、動的な適応的充電電流においてバッテリーを充電するよう構成され、かつ動作可能な新しい充電器を提供することを目的とし、特定の時点における充電電流レベルは、適応的電流充電プロセスを示すパラメータのリアルタイム測定に基づいて決定される。

さらなる態様では、本発明は、充電システムであって、送電装置が受動的であり得、充電器が充電プロセスを支配し、または、送電装置が、この実施形態における充電器が相対的に受動的である一方で、充電する対象のバッテリーに接続された充電器から送電装置に伝達される適応的電流充電の進捗を示すリアルタイムのデータパラメータに基づいてバッテリーの充電プロセスを支配し得る充電システムを提供することを目的とする。以下に詳細に説明する実施形態すべてにおいて、充電器は、以下に詳細に説明するように、適応的電流充電プロファイルによってバッテリーを充電することができる新しい充電器である。

本明細書において使用されている「充電器」の語は「ＰＭＩＣ」または「充電ＩＣ」としても知られている充電ＩＣに関するものであり、本明細書において使用される語はすべて、バッテリーまたは充電時のデバイス（ＤＵＣ）に機能的に接続され、それを充電する要素という、同じ意味を有すると同時に、本文において同義に使用されている場合がある。本発明の実施形態によれば、新しい充電器は、適応的電流充電フェーズを制御し（「マスター」）、または、送電装置が、充電器により、リアルタイムでそれに対して伝達されるデータに基づいて充電プロセスを制御する一方で、充電プロセスにおいて受動的な役割を務め得る（「スレーブ」）。「送電装置」、「送電器」、「エネルギー送電器」の語は、本明細書において使用する語がすべて、ワイヤレスの方法で電子機器またはバッテリーを充電するためのエネルギーを送達するワイヤレス電力源という、同じ意味を有していると同時に、本文において同義に使用されている場合がある。

本明細書において使用される「バッテリー」の語は、スタンドアロン、または充電対象の電子機器内で実現される再充電可能なバッテリーを包含するものとして解されるべきである。よって、「バッテリー」、「充電時のデバイス」、「ＤＵＣ」、「電子機器」の語は、本明細書において使用される語がすべて、電子的に充電される対象の物体という、同じ意味を有していると同時に、本文において同義に使用されている場合がある。

本開示の種々の構成は単一の実施形態の意味合いで説明している場合があるが、構成はさらに、別個に、またはいずれかの適切な組み合わせで提供され得る。逆に、本開示は、明瞭性のために、別個の実施形態の意味合いで本明細書において説明している場合があるが、本開示は単一の実施形態においても実現し得る。さらに、本開示は種々のやり方で行うか、または実施することが可能であり、本開示は、本明細書において以下に説明した例示的な実施形態以外の実施形態において実現することが可能であると解されるべきである。明細書において、および、請求項において示された説明、実施例、および材料は、限定するものとしてではなく、実例として解釈されるべきである。

ウェアラブル電子機器などの小型電子機器では、発熱は非常に重要な障壁となっている。本明細書において記載された充電方法は、充電プロセスのリアルタイム測定に基づいて、一定の充電のプロセスの代わりに、動的な適応的電流充電プロファイルが使用されるようにバッテリーの技術水準の充電プロファイルを変えることにより、事前に、充電中の発熱を最小にすることを目的としている。本発明の実施形態による、適応的電流充電プロファイルの方法は、エネルギー電力源による充電プロセス（すなわち、ワイヤレス充電）に、ならびに、さらに、以下の実施例において、および、図５を参照して詳細に説明するように、電圧源による（すなわち、ＵＳＢなどの有線充電による）充電に、必要な変更を加えて適用し得る。

本発明の適応的充電方法を使用することにより、敏感性が高い構成要素が保護されるのみならず、さらに、充電電流値を増加させ、その結果、必要な場合、充電期間を短縮することが可能になる。

このようにして、充電電力が電圧源である場合、充電ＩＣは、熱に変換されるエネルギーを最小化し、それを一定に保とうとする。熱に変換する電力をＰ_heat＝（Ｖ_source−
Ｖ_bat）＊Ｉ_batと仮定する。Ｖ_batが増加するにつれ、充電ＩＣは、バッテリーに流入する電流（Ｉ_bat）を増加させる。

そしてさらに、充電電力がエネルギー源である場合、充電ＩＣは、エネルギーの使用を最大化し、可能な限り、定電力で動作するよう適応的電流を使用するよう構成される。バッテリーに流入する電力をＰ_charge＝Ｖ_bat＊Ｉ_batと仮定する。バッテリー電圧が上昇するにつれ、充電ＩＣは、電力のばらつきを最小化するためにバッテリーへの電流を減少させる。

本発明の実現のこれらの実施例はさらに、以下に詳細に説明される。

（実施例１：電圧源による充電）
ＵＳＢなどの電圧源の使用は、バッテリー充電の典型的なケースである。限定的でない実施例としてのリチウムイオンバッテリーを参照すると、バッテリー充電は３Ｖで開始し、４．２Ｖで終了する。電圧源の電圧（通常、５Ｖ）とバッテリー電圧との間の差は熱に変換される。定電流フェーズ中の通常の充電方法において、多くの熱が、充電プロセスの開始時に発生し、フェーズの終了に向けて発熱が少なくなる。例えば、１００ｍＡでの充電を仮定すれば、フェーズの開始時には１００ｍＡ×（５Ｖ−３Ｖ）＝２００ｍＷが熱に変換され、フェーズの終了時には１００ｍＡ×（５Ｖ−４．２Ｖ）＝８０ｍＷが熱に変換される。

本発明の適応的電流充電方法を使用する場合、電流は低い状態で始まり、バッテリーの電圧が増加するにつれ、増加する。その結果、最大散逸電力および全体散逸電力は通常の方法においてよりもずっと小さくなる。以下の表１は、現在使用されている一定の充電の方法および本発明の新たな適応的充電方法における、ＣＣフェーズの開始時およびＣＣフェーズの終了時での電流による散逸電力の比較値を示す。

上記表では、上限充電電圧４．２Ｖのリチウムイオンバッテリーを充電すること、および充電が公称電流１００ｍＡ（公称電流は、設計者がバッテリーを充電したい持続時間から導き出される）で行われることを仮定する。充電集積回路（ＩＣ）は、電源がオンにされると、バッテリーを充電し始める。バッテリーは、電圧が３Ｖ未満である場合、３Ｖに達するまで非常に低い電流で充電し始める（プリチャージフェーズ）。

適応的フェーズ（「定電流」）では、充電ＩＣは、バッテリーＩＣに充電電流を適合させ、バッテリー電圧が上がるにつれ、それを増加させる、例えば、７５ｍＡ＠３Ｖで開始し、４．１Ｖで１３０ｍＡに達するまで、電流を０．１Ｖ毎に５ｍＡ増加させる。４．２Ｖでは、ＩＣは定電圧フェーズに入る。

定電圧フェーズでは、ＩＣは１３０ｍＡで充電され、バッテリー電圧は４．２Ｖである。バッテリー電圧が増加する都度、ＩＣは、４．２Ｖでバッテリーを安定化させるために電流を低減する。電流が１０ｍＡに達すると、充電プロセスは停止し、バッテリーフルの表示が出る。

（実施例２：エネルギー電力源による充電）
ワイヤレス充電プロセスでは、送電装置によって送達されるエネルギーは、充電時の機器の受電器、またはバッテリーに接続された受電器によって受電される。送達されたエネルギーによって得られる電圧および電流の値は、主に、受電器回路によって、特に、送電装置に反射する負荷によって変わってくる。

本発明の実施形態によれば、本明細書において記載された適応的電流充電方法では、受電側における充電器（ＰＭＩＣ）は、利用可能なエネルギーに充電電流値を動的に適合させるよう構成され、例えば、特定の充電電流値から開始し、充電プロセスが進み、電圧の値が増加する限り、バッテリーの電力がバッテリー電圧×バッテリー電流（Ｖ_bat＊Ｉ_bat）に等しくなるので、充電電流の値は減少する。よって、技術水準において使用されているような定電流充電プロファイルを使用する代わりに、本発明の適応的電流充電プロファイルを使用する場合、熱に変換される電流の無駄が最小になる。かように、充電中の発熱の主な理由をなくすことにより、バッテリーの寿命は増加し、過熱の結果としてのバッテリーセルに対する任意的な損傷は激減する。すなわち、発熱はほとんど一定であり、通常の充電の方法論において得られる値に対してずっと低くなる。さらに、ワイヤレス充電プロセスの全体効率は上昇する。例示的な値を以下の表２に示す。

上記表では、市販の標準的な充電器を使用した通常の充電方法では、充電器は全てのプロセスに沿って５Ｖを受電することが見込まれ、充電電流は１００ｍＡ超の例では一定である。適応的電流充電プロファイルにおける充電は例えば、必要な電圧降下が０．５Ｖであると仮定すれば、公称電流１００ｍＡ（公称電流は、設計者がバッテリーを充電したい時間から導き出される）を目標とする場合に実現される。エネルギー送電器は、充電器入力電圧および充電電流からの表示を受け取る。開始時には、充電がプリチャージフェーズにおいて開始すると仮定すれば、送電器は、低エネルギーを送出し、充電器がバッテリーを８０ｍＡで充電するまでエネルギーを増加させる。送電器の精度は制限されているので、８０ｍＡでの送達で、ＰＭＩＣ入力における電圧が４．７Ｖであると仮定する。

入力におけるエネルギーが安定化した後の適応的電流充電フェーズでは、充電器は、ＰＭＩＣ入力とバッテリー電圧との間の電圧降下が０．２Ｖになるまでバッテリーへの電流を増加させる。例えば、１１５ｍＡで電圧が３．２Ｖである場合、８０ｍＡで電圧が４．７Ｖ（８０×４．７＝１１５×３．２）であると仮定することが可能である。バッテリー電圧が４．２Ｖに達するまで、バッテリー電圧が上昇するにつれ、充電器は電流を低減し、次いで、充電器は定電圧フェーズに入る。

定電圧フェーズにおいて、充電器は９０ｍＡで充電し、バッテリー電圧は４．２Ｖであり、充電器への入力電圧は４．４Ｖである。バッテリー電圧が増加する都度、充電器は、電流を低減して４．２Ｖでバッテリーを安定化させ、その結果、充電器入力における電圧は上昇する。送電器は次いで、充電器が過電圧状態になることを回避し、それにより、エネルギーを節約するように徐々に、送電電力を低減する。電流が１０ｍＡに達すると、充電プロセスは停止し、バッテリーフルの表示が出る。

次に、図を参照する。図１は、標準的なリチウムイオンバッテリー充電プロファイルの概略図である。図示するように、充電プロセスの開始時に、バッテリーセルは定電流充電によって充電され、電圧は上昇する。電圧がピークに達すると、電圧がピークに留まり、電流が減少する第２の段階が開始する。通常、充電は、電流が定格電流の３％未満になると終止する。

図２は、本発明の実施例による、リチウムイオンバッテリーのワイヤレスの適応的充電プロファイルの概略図である。充電プロセスが、送電装置によって送達されるエネルギー源によって得られると、受電ユニットは適応的電流を使用して、受け取ったエネルギーの使用を最大化し、可能な限り、一定の電力で動作する。バッテリー電圧（Ｖ_bat）が上昇すると、受電ユニットは、定電圧充電フェーズに達するまで、電力（Ｐ_charge）のばらつきを最小化するためにバッテリーへの電流（Ｉ_bat）を低減する。定電流充電プロファイルと対照的に、充電電流値は、増加する電圧レベルと逆相関して、充電プロセス中に減少し、したがって、最小の過電流が発生し、したがって、定電流充電プロファイルにおけるように、過電流の熱への変換は無視できるほどになる。

図３は、バッテリーの適応的充電を可能にするよう構成されたワイヤレス充電システム１００の概略図である。この図に示された実施例では、ワイヤレス充電システム１００は、少なくとも以下の構成部分、すなわち、ＲＦエネルギー送達器１１２、コントローラ１１４、通信ユニット１１８、送達アンテナ１２０、およびインピーダンスマッチングネットワーク１１６（必然的でないが好ましくは、適応的インピーダンスマッチングネットワーク）を備える、送電装置１１０を備える。コントローラ１１４は、送電器１１２の出力電力レベルおよび周波数を適合させるよう構成される。一部の実施形態では、コントローラ１１４はさらに、適応的インピーダンスマッチングネットワーク１１６を適合させることにより、送電アンテナ１２０に入る出力電力を適合させることが可能である。

システム１００はさらに、好ましくは、充電時のデバイス（ＤＵＣ）であるバッテリーに接続された受電ユニット１３０を備える。受電ユニット１３０は少なくとも、受電アンテナ１３２、インピーダンスマッチングネットワーク１３４（必然的でないが好ましくは、適応的インピーダンスマッチングネットワーク）、整流器１３６、充電器（ＰＭＩＣ）１３８、および再充電可能なバッテリー１４０を備える。

本発明の一部の他の実施形態では、通信ユニット１１８は、帯域内または帯域外で受電ユニット１３０と通信し得、コントローラ１１４との間で情報を提供する。送達されたＲＦエネルギーは受電アンテナ１３２によって捕捉され、任意的には、整流器１３６に適応的インピーダンスマッチングネットワーク１３４を介して移送される。整流器１３６はエネルギーをＤＣエネルギーに変換し、バッテリーを充電する充電器（ＰＭＩＣ）１３８にこれを提供する。

充電器１３８は、受けとられたエネルギーから充電電流を動的に最大化するように設計されている。本発明の実施形態によれば、充電器１３８は、温度、電圧、および電流のあらかじめプログラムされた安全な範囲内で充電プロセスが行われる限り、充電プロセスにおいて能動的な役割を務め、バッテリー温度、バッテリー周囲温度、バッテリー電流、バッテリー電圧、整流器電流、および整流器電圧などの測定されたパラメータのリアルタイム値に応じた、特定の時点において使用される適応的充電電流値を決定し得る。本発明の一部の他の実施形態では、充電器１３８は、エネルギー送達装置１１０が、適応的電流充電プロファイルを充電器１３８から送電装置１１０に伝達されるリアルタイム測定されたパラメータに基づいて支配する一方で、「スレーブ」としてふるまい得る。いずれの実施形態においても、新しい充電器１３８は、整流器出力電流（Ｉ_rectifier）および出力電圧（Ｖ_rectifier）、バッテリー電圧（Ｖ_bat）、バッテリー充電電流（Ｉ_charge）、およびバッテリー／環境温度を測定することができる。充電器（ＰＭＩＣ）１３８は通信ユニットを備え、これを介して測定されたパラメータすべてについてワイヤレス送電装置１１０に帯域内または帯域外で通知することが可能である。

ＲＦエネルギーが受電アンテナ１３２によって捕捉され、適応的インピーダンスマッチングネットワーク１３４を介して整流器１３６に移送されると、整流器１２６はエネルギーをＤＣエネルギーに変換し、充電器１３８にこれを提供する。充電器１３８はバッテリー１４０を充電し始める。上述のように、充電器１３８は、充電中に種々のパラメータを測定し、充電プロファイルを制御するときに（「マスター」）、それらを内部的に利用する、または、測定されたパラメータ値を、この場合の充電プロセスを制御し（「マスター」）、充電器が彼の「スレーブ」として機能する送電装置に伝達する能力を有する。

さらに、充電器１３８は、ＰＭＩＣ／バッテリーのタイプ、バッテリー電圧毎の許容最大充電電力、所要平均電流、最大許容電圧などの予め構成されたデータを送電装置１１０に伝達し得る。充電器１３８は、適応的インピーダンスマッチングネットワーク１３４を制御し得る。

本発明の実施形態によれば、充電器１３８は、バッテリー電圧範囲毎の最大電流に対する限度（例えば、バッテリーが３Ｖ未満である場合に許容される最大電流、およびバッテリーが３Ｖを超える場合に許容される最大電流）と、最大電圧限度（例えば、４．２Ｖ）（製造元の指示による限度）を有する。

本発明の実施形態によれば、新しい適応的電流充電プロファイルを実現するための、いくつかの動作オプションモードが存在する。以下に説明する動作オプションモードすべてにおいて、説明は、従来の定電流（ＣＣ）充電段階、すなわち、プリチャージフェーズ後および定電圧（ＣＶ）フェーズ前にくる主充電フェーズに焦点を当てる。以下に説明するオプションは、標準である従来のＣＣ、ＣＶ充電とは大きく異なっている。標準的な充電方法では、充電器はＣＣフェーズにおいて最大定電流レベルで充電するよう構成され、ＣＶ充電フェーズにおいて、必要に応じて最大電圧レベルで充電するようさらに構成されるべきである。そうした構成では、ワイヤレス送電器が十分なエネルギーを送達する限り、ＣＣ、ＣＶ充電が維持され、余剰エネルギーが、充電器および整流器において熱に変換される。一部の実施例では、ワイヤレス送電器は、受電ユニットから受け取られたデータに応じてその出力電力を最適化し得る。

（適応的電流充電プロファイル、オプション１）
このオプションによれば、バッテリーに接続された充電器（ＰＭＩＣ）は適応的充電プロセスを制御する（マスター）一方で、ワイヤレス送電器は、一定のエネルギー電力を送達する。バッテリーのワイヤレス充電は、充電プロセス中に発生する熱、および充電に使用される電力レベルを最適化しながら行い得る。この目的で、充電器は、利用可能な最大電流、例えば、バッテリーを充電するのに望ましい平均電流（Ｃ）の１．２倍で充電するよう構成すべきである。充電の大半が３．４Ｖと４．２Ｖとの間で行われると仮定した場合、送電器は、０．５（３．４＋４．２）×（公称Ｉ_charge）で受電器が充電するのに必要な量に同等のＲＦエネルギーを送達する。充電器が、（バッテリー電圧が３．４ボルトであるプリチャージフェーズの後の）、充電の開始時にエネルギーを受け取ると、エネルギーの量０．５（３．４＋４．２）×（公称Ｉ_charge）は、３．４×（公称Ｉ_charge）よりも大きくなる。充電器が充電電流を最大化するよう構成されるので、バッテリーは公称Ｉ_chargeよりも高い充電レートで充電される。送電器が同じレベルに送達エネルギーを維持した場合、充電レートは、バッテリー電圧が増加するにつれて減少する。利用可能なエネルギーはすべて、バッテリーを充電するために使用されるので、全体の効率が改善され、発熱が最小化される。

充電器によって利用可能な電流の最大化は、電圧が上昇し、かつ、最終的には電流が減少するにつれて充電条件が充電プロセスに沿って変動するので、継続的なプロセスであることが留意されるべきである。充電プロセスの開始時にバッテリー電圧が例として３．４Ｖであり、かつ、利用可能なエネルギーを「詰め込み」ながら充電器が充電電流１２０ｍＡに達した場合、４．２Ｖで、９７ｍＡ（４．２×９７＝３．４×ｌ２０）に達することが可能であるかは、全体条件が異なるので明らかでない。

（適応的電流充電プロファイル、オプション２）
このオプションによれば、適応的充電フェーズの支配権はワイヤレス送電器に渡る。充電器は好ましくは、安全レベルとしてのみ定義される限度まで最大充電電流で充電するよう構成される。このオプションでは、充電電流は、ＰＭＩＣから受け取ったデータ通信通知に基づいてワイヤレス送電器によって操作することが可能である。送達エネルギーレベルを制御することにより充電電流を指図する。充電プロファイルはさらに、ＰＭＩＣによって通知された温度にも適応可能であり得る。この特徴は、ユーザ、バッテリーの製造業者、またはその他の留意事項から受け取られた新たなデータに基づいて充電プロファイルにおいて実現したい急速／低速充電またはその他の変更を制御するために使用することが可能である。

図４は、送電装置によって制御されるワイヤレスの適応的充電電流プロセス中の、リチウムイオンバッテリーに、およびＲＦ受電器に接続された充電器および送電装置によって行われる動作の概略フロー図である。

ステップ１では、送電器は、充電器が動作し、充電し始めるのに十分な初期量のエネルギーを送出する。

ステップ２では、充電器は、受け取られたエネルギーに基づいて電源がオンになる。

ステップ３では、充電器は、バッテリー電圧、バッテリー温度、整流器出力電圧、整流器出力電流を測定する。これは、バッテリー電圧および充電電流における変動の結果として、および、さらなるステップでは、ステップ４で行われる最適化の結果として受け取られるエネルギーにおける変動の結果として、パラメータが動的に変動しているため、継続的な動作である。

ステップ４では、充電器はバッテリーを充電する。充電器は、充電電流が、この段階／バッテリー電圧値に構成された最大電流値未満であり、バッテリー温度が最大値の許容可能な温度未満である限り、充電電流を常に増加させようとする。最大の許容電流値に達した場合、電流値を増加させるようとするプロセスは停止する。最大許容温度に達した場合、温度が、許容最大値未満の値に戻るまで充電電流が削減される。

ステップ５では、充電器は、測定されたパラメータ、充電電流、およびあらかじめプログラムされた他のデータを送電器に通知する。

ステップ６では、送電器は、充電器から受け取られたデータに基づいて、かつ充電する対象の特定のバッテリー／装置の所要の充電プロファイルについてのあらかじめプログラムされたデータにより、充電プロセスを最適化する。最適化は、送電側におけるマッチング回路、エネルギー周波数等を変更することによって実現することが可能である。送電器は、パラメータを変更することが可能であり、充電器から受け取られたデータに基づいて、充電プロセスの効率を改善しているか決定することが可能である。充電プロセスの支配権が送電器にある場合、それは、充電時のデバイス／バッテリー自体に対する物理的変更を行う必要なく、製造者が充電プロファイルを制御し、更新することを可能にし得る。この動作モードでは、所要の充電プロファイルを充足することは主に、送達電力を増加させる／減少させることによって行われる。

ステップ７では、エネルギーが充電器において受け取られることは継続的なプロセスであり、充電器は充電電流を最大化し続ける。充電プロセスは、ステップ６において送電器により、またはステップ４において受電器によって停止する。説明されたプロセスは、熱に変換するエネルギー浪費を最小化する充電プロセスをもたらす。別の重要な利点は、送電器が、充電プロセスを制御することにより、いずれの所望のプロファイルにおいてもバッテリーを充電することが可能であるということである。例えば、製品が発売された後、（ＰＭＩＣで予め構成された）電流充電プロファイルが許容された温度により、バッテリー寿命が短縮するか、または、バッテリーの爆発をもたらすことが判明したシナリオでは、充電温度は低減すべきである。送電器におけるわずかな構成の変更は、課題を解決するために所要のプロファイルで終了することが可能である。

図５は、本発明の実施例による、リチウムイオンバッテリーの適応的充電プロファイルの概略図であり、充電するための電力源は電圧源である。図示するように、充電器が電圧源である場合、受電器は、熱に変換されるエネルギーを最小化し、一定に保つようにする。よって、バッテリーの電圧（Ｖ_bat）が増加すると、受電器（充電ＩＣ）は、熱（Ｐ_heat）に変換されるエネルギーを一定に保って、バッテリーに入る電流（Ｉ_bat）を増加させる。

本明細書に記載された実施形態の説明および添付図面は、その範囲を限定することなく、本発明をよりよく理解することのみの機能を果たすことが明らかであるはずである。本明細書を読んだ後に、当業者が、本発明によってなお包含される、添付図面および上記実施形態に対する修正または補正を行うことが可能であるということも明らかであるはずである。

Claims (25)

1. （ａ）最小電圧値までプリチャージプロファイルにおいてバッテリーを充電する工程と、
   （ｂ）利用可能な最大の電流の値で、動的な適応的電流充電プロファイルにおいて前記バッテリーを充電する工程と、
   （ｃ）充電の終止まで、定電圧プロファイルにおいて前記バッテリーを充電する工程と
   を備え、
   前記利用可能な最大電流での前記動的な適応的電流充電プロファイルは、定電流充電プロファイルに対して、改善された充電効率を可能にし、充電中の発熱を最小化するよう構成される、再充電可能なバッテリーを充電する方法。
2. 前記適応的電流充電プロファイルにおける前記利用可能な最大電流の値は、前記バッテリーに接続された充電器（ＰＭＩＣ）によって決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記充電器は、リアルタイムでの測定されたパラメータに基づいて特定の時点における前記利用可能な最大電流の値を決定する、請求項２に記載の方法。
4. 前記測定されたパラメータは、以下のパラメータ、すなわち、バッテリー温度、バッテリーの周囲温度、バッテリー電圧レベル、バッテリー充電電流、前記充電器に接続された整流器の電圧、および前記充電器に接続された整流器の電流の少なくとも１つである、請求項３に記載の方法。
5. 前記測定されたパラメータは前記バッテリーの充電レベルを示し、応じて前記充電器が工程（ｂ）における充電電流を調節することを可能にする、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記測定されたパラメータは、前記バッテリーの寿命を維持する前記バッテリーの安全充電範囲をさらに示す、請求項３または４に記載の方法。
7. 前記充電器は、少なくとも１つの前記測定されたパラメータに応じて、内部ＰＷＭ、および／または、それに接続された適応的インピーダンスネットワークを制御することにより、リアルタイムで、利用可能な最大充電電流での充電を可能にするよう構成される、請求項２〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記利用可能な最大の電流値が、送達されたエネルギーから、前記バッテリーに接続された受電ユニットによって得ることが可能な最大電流である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記充電器は前記測定されたパラメータの値を送電ユニットに伝達し、前記送電ユニットは、前記充電器から受けとられた前記値に応じて特定の時点において前記バッテリーに接続された受電ユニットに向けて送達されたＲＦ電力レベルを修正することにより、充電プロセスを制御するよう構成される、請求項３または４に記載の方法。
10. 前記充電は、充電された前記バッテリーの寿命を維持し、かつ、前記バッテリーに起こり得る損傷、または前記バッテリーの短縮を回避するように、所定の安全範囲の温度、電圧、および電流内で行われる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記充電プロセスは、ワイヤレス充電プロセスである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 利用可能な最大電流値で動的な適応的電流充電プロファイルにおいて再充電可能なバッテリーを充電するよう構成された充電器（ＰＭＩＣ）であって、前記充電器は、再充電可能なバッテリーに、および、インピーダンスマッチングネットワークを有する受電ユニットに接続され、利用可能な最大電流での前記動的な適応的電流充電プロファイルは、定電流充電プロファイルに対して、改善された充電効率を可能にし、充電中の発熱を最小化するよう構成される充電器。
13. 前記適応的電流充電プロファイルでの前記利用可能な最大電流値は、リアルタイムでの測定されたパラメータに基づいて特定の時点で前記充電器によって決定される、請求項１２に記載の充電器。
14. 前記測定されたパラメータは、以下のパラメータ、すなわち、バッテリー温度、バッテリーの周囲温度、バッテリー電圧レベル、バッテリー充電電流、前記充電器に接続された整流器の電圧、および前記充電器に接続された整流器の電流の少なくとも１つである、請求項１２または１３に記載の充電器。
15. 前記測定されたパラメータは、前記再充電可能なバッテリーの充電レベルを示し、かつ、発熱を最小化するよう充電電流の値を前記充電器が調節することを可能にする、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の充電器。
16. 前記測定されたパラメータは、前記バッテリーの寿命を維持する前記バッテリーの安全充電範囲をさらに示す、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の充電器。
17. 前記充電器は、少なくとも１つの前記測定されたパラメータに応じて、内部ＰＷＭにより、および／または、それに接続された適応的インピーダンスネットワークを制御することにより、リアルタイムで、利用可能な最大充電電流での充電を可能にするよう構成される、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の充電器。
18. 前記利用可能な最大電流の値は、送達されたエネルギーから、前記再充電可能なバッテリーに接続された受電ユニットによって得ることが可能な最大電流である、請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の充電器。
19. 前記充電器は前記測定されたパラメータの値を送電ユニットに伝達し、前記送電ユニットは、前記充電器から受け取られた前記値に応じて、特定の時点で前記再充電可能なバッテリーに接続された受電ユニットに向けて送達された電力レベルを修正することにより、充電プロセスを制御するよう構成される、請求項１２〜１８のいずれか１項に記載の充電器。
20. 前記充電は、充電された前記バッテリーの寿命を維持し、かつ、前記バッテリーに起こり得る損傷、または、前記バッテリーの短縮を回避するように、所定の安全範囲の温度、電圧、および電流内で行われる、請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の充電器。
21. 充電プロセスは、ワイヤレス充電プロセスである、請求項１２〜２０のいずれか１項に記載の充電器。
22. 充電対象のバッテリーを保持するプラットフォームと、
    前記バッテリーを充電する電力源と、
    前記電力源から前記バッテリーへの電流および電圧を調整する充電器（ＰＭＩＣ）と、
    前記バッテリーの電圧を判定する検出器と、
    充電コントローラを管理するオペレーティングソフトウェアと
    を備え、
    前記検出器は、充電時の前記バッテリーの電圧および容量を判定し、前記充電器は該バッテリーの初期充電および前記容量に基づいて最小電圧値を決定し、最小電圧値までプリチャージプロファイルにおいて前記バッテリーを充電し始め、
    前記検出器が前記バッテリーの充電を測定し、かつ、前記充電器が、前記バッテリーが前記最小電圧値に達したことを測定値に基づいて決定すると、前記充電器は、利用可能な最大電流の値で動的な適応的電流充電プロファイルにおいて前記バッテリーを充電し始め、利用可能な最大電流での前記動的な適応的電流充電プロファイルは、定電流充電プロファイルに対して、改善された充電効率を可能にし、充電中の発熱を最小化するよう構成され、
    前記検出器が、前記バッテリーの前記充電が所定の電圧値に達したことを測定すると、前記充電器は、充電の終止まで定電圧プロファイルにおいて前記バッテリーを充電し始める、再充電可能なバッテリーを充電するシステム。
23. 前記充電器は、前記適応的電流充電プロファイルを制御する、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記充電器はさらに、前記充電器から受け取られた値に応じて特定の時点で、前記再充電可能なバッテリーに接続された受電ユニットに向けて送達された電力レベルを修正することにより、充電プロセスを制御する電力源に前記測定値を伝達する、請求項２２に記載のシステム。
25. 充電プロセスはワイヤレス充電である、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載のシステム。

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